Як фізики поторкали світло

Дослідники з Франції провели експеримент, в якому світло одночасно проявляє властивості частинки і хвилі.

З XVII століття фізики сперечалися про те, що таке світло. В одних випадках світло має властивості хвиль, а в інших поводиться як частинка. Гарячі суперечки між іменитими фізиками про природу світла притихли після становлення квантової механіки, яка заявила, що світло - це і частка, і хвиля одночасно. І якщо зі світлом все більш-менш стало ясно, то новим яблуком розбрату в науковому світі стала сама квантова механіка, правда, це вже зовсім інша історія.

Обмін енергією фотонів з електронами дозволив «сфотографувати» стоячу хвилю електромагнітного випромінювання на поверхні тонкої срібною зволікання. Фото: EPFL

Для свого експерименту дослідники використовували модифікований трансмісійний електронний мікроскоп (TEM) з фотокатодом, фемтосекундний лазер з довжиною хвилі 800 нм, і фільтр електронів по енергіях. Фото: EPFL

<

>

Фізики провели безліч експериментів зі світлом, проте в кожному з них можна було спостерігати світло або як хвилю, або як частку. Властивості частинок світло проявляє, наприклад, в явищі фотоефекту - вибивання електронів з металу світловим квантом. Це явище використовується в елементах сонячних батарей, що живлять електричною енергією калькулятори та апаратуру супутників. А ось коли ми бачимо різнокольорові плями на воді, покритої масляною плівкою, це прояв класичного хвильового поведінки - інтерференції. Фізики з федеральної політехнічної школи Лозанни вперше поставили експеримент , В якому змогли змусити світ одночасно проявити властивості як частки, так і хвилі.

Для цього вони взяли шматок дуже тонкої срібною дроту діаметром всього 50 нанометрів і висвітлили його дуже короткою фемтосекундною лазерної спалахом. Взаємодія квантів світла лазера з електронами в металі призводить до виникнення специфічних коливань електронів (поверхневих плазмонних поляритонов). Їх енергія складається частково з електромагнітної енергії фотонів, і частково - з енергії власних збурень електронів. Виходить, що світло як би «застряє» в цій металевій дроті і починає переміщатися уздовж її поверхні. При цьому хвиля, дійшовши до кінця дроту, відбивається і йде назад, до іншого кінця. Такі хвилі, що гуляють по дроті в різних напрямках, накладаються один на одного і утворюють стоячу хвилю. Такий же ефект виникає на поверхні води, налитої в склянку, якщо його поставити на вібруючу поверхню. Тоді на поверхні утворюється брижі, яку утворюють хвилі, що відбиваються від стінок склянки. Отже, французькі фізики зловили світло у вигляді хвилі і змусили її «встати» в срібною дроту. А як тепер «помацати» спіймані фотони і довести, що це не просто хвилі, але і частки?

Тут дослідникам допомогли інші елементарні частинки - електрони, потік яких відправляли слідом за лазерної спалахом. Електрони, пролітаючи повз дроту, взаємодіяли зі стоячою хвилею, точніше, з фотонами, і обмінювалися з ними енергією. Спочатку все електрони мали однакову енергію, а значить, летіли з однієї і тієї ж швидкістю. Після того, як вони обмінялися квантами енергії з фотонами, частина з електронів полетіла швидше - вони отримали додаткову енергію, а частина загальмувалася - енергію у них «відібрали» фотони. Тепер залишилося пропустити цей неоднорідний потік електронів, що несе в собі інформацію про фотонах в дроті, крізь енергетичний фільтр, і отримати фотографію стоячій хвилі.

Так фізики показали, що, з одного боку, світло - це хвиля, уклавши його в металевий дріт, і в той же час, що світ не втратив здатність бути частинкою - електрони стикалися з фотонами, обмінюючись з ними енергією. До речі, як раз за відкриття ефекту непружного розсіяння рентгенівського випромінювання на вільних електронах, майже сто років тому, в 1927 році американський фізик Артур Комптон був удостоєний Нобелівської премії. Саме це розсіювання фотонів світла на електронах і назвали в його честь комптонівське розсіювання.

за матеріалами EPFL і Nature Communications